航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)

林俊明，李寒林2，戴永紅

(1.愛德森(廈門)電子有限公司，廈門 361008；2.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，廈門 361021)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜精密，其大量零件在十分惡劣的環(huán)境下工作，承受著高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速的工作負(fù)荷。發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)能否滿足高性能要求，直接影響飛機(jī)的安全性和可靠性。葉片作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一，在氣動(dòng)、傳熱、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動(dòng)及疲勞等性能設(shè)計(jì)方面都面臨許多挑戰(zhàn)。一旦葉盤系統(tǒng)發(fā)生故障，引起的事故是災(zāi)難性的。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)技術(shù)是國(guó)家科技實(shí)力的重要標(biāo)志，是衡量一個(gè)國(guó)家動(dòng)力研發(fā)、綜合制造水平的關(guān)鍵。通過各種狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段診斷出航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的早期失效及潛在故障，對(duì)于降低故障損失及事故發(fā)生率具有重要意義。因此，迫切需要航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)手段的全面革新，充分考慮氣動(dòng)、傳熱、結(jié)構(gòu)作用的影響，避免重大惡性事故的發(fā)生，以適應(yīng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)大幅度提升性能的要求。

筆者提出鐵磁性發(fā)動(dòng)機(jī)殼體內(nèi)葉片動(dòng)態(tài)原位監(jiān)測(cè)的方法，采用渦流檢測(cè)方法，結(jié)合U型磁鐵，在鐵磁性發(fā)動(dòng)機(jī)殼體內(nèi)表面附近生成渦流場(chǎng)，通過葉片葉尖劃過渦流場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生的電磁感應(yīng)信號(hào)，監(jiān)測(cè)鐵磁性發(fā)動(dòng)機(jī)殼體內(nèi)的葉片個(gè)數(shù)、轉(zhuǎn)速、損傷狀態(tài)等信息，進(jìn)一步通過制作監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線，監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的健康狀態(tài)，可以解決鐵磁性發(fā)動(dòng)機(jī)殼體內(nèi)葉片安全監(jiān)測(cè)的難題。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)

1.1 葉片振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)原理

航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的展弦比大、應(yīng)力水平高、工作條件惡劣，以及高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力和氣流沖擊引起的氣動(dòng)力易使葉片發(fā)生振動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)由振動(dòng)引起的故障占總故障的60%以上，其中葉片振動(dòng)故障占總振動(dòng)故障的 70% 以上。葉片振動(dòng)尤其是共振將產(chǎn)生較大的振動(dòng)應(yīng)力，易導(dǎo)致葉片疲勞失效。因此，振動(dòng)特性分析是研究發(fā)動(dòng)機(jī)葉片減振、抗疲勞問題的關(guān)鍵。

現(xiàn)今研究較多的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件的故障監(jiān)測(cè)，是通過對(duì)處于運(yùn)行中的部件進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)測(cè)量，或者采用人工激勵(lì)進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)測(cè)量，并對(duì)所測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行分析處理，將其特征參數(shù)與事先通過統(tǒng)計(jì)或預(yù)先測(cè)量、計(jì)算所得的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行比較，再根據(jù)參數(shù)間的關(guān)系，判斷部件的故障。

SRINIVASIN[1]根據(jù)多年的研究成果和工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了嚴(yán)重影響燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)展的葉片振動(dòng)問題。POURSAEIDI等[2]分析了固有頻率對(duì)壓氣機(jī)R1級(jí)葉片失效的影響，同時(shí)考慮了離心載荷和氣動(dòng)載荷，但對(duì)氣動(dòng)載荷進(jìn)行了簡(jiǎn)化。XU等[3]通過有限元分析和試驗(yàn)測(cè)量的方法對(duì)軸流式風(fēng)機(jī)葉片中由離心和氣動(dòng)載荷引起的振動(dòng)和應(yīng)力進(jìn)行了分析研究。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)中，應(yīng)測(cè)量運(yùn)行時(shí)葉片端部的振動(dòng)，由振幅測(cè)量結(jié)果來(lái)評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)是否可以長(zhǎng)期運(yùn)行。對(duì)于經(jīng)靜態(tài)試驗(yàn)確認(rèn)端部振型存在嚴(yán)重問題的發(fā)動(dòng)機(jī)，為了確保不在運(yùn)行中突發(fā)由端部振動(dòng)引發(fā)的事故，應(yīng)當(dāng)加裝在線監(jiān)測(cè)振動(dòng)的裝置。在線監(jiān)測(cè)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行中端部振動(dòng)的幅值，并根據(jù)其變化情況確定是否需要停機(jī)檢修，能夠起到對(duì)事故提前預(yù)警的作用。

1.2 葉片電磁在線監(jiān)測(cè)原理

隨著飛機(jī)向高速、重載、經(jīng)濟(jì)、舒適、節(jié)能和輕量化方向的快速發(fā)展，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的要求越來(lái)越高。一方面是發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比達(dá)到20，耗油率降低50%，渦輪進(jìn)氣溫度已接近1 800 ℃；另一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)。隨著推重比、渦輪進(jìn)氣溫度和轉(zhuǎn)速的不斷提高，單級(jí)負(fù)荷不斷增大，工況更加惡劣，葉片、輪盤的熱應(yīng)力水平越來(lái)越高，葉片的氣彈耦合效應(yīng)更為顯著，由此引發(fā)振動(dòng)、疲勞損傷等問題甚至導(dǎo)致葉片斷裂、脫榫等重大惡性事故的發(fā)生[4]。

當(dāng)前，對(duì)于非鐵磁性發(fā)動(dòng)機(jī)殼體內(nèi)的葉片監(jiān)測(cè)，通常采用無(wú)源監(jiān)測(cè)的方法，即將磁鐵與無(wú)源感應(yīng)線圈一起固定在非鐵磁性發(fā)動(dòng)機(jī)殼體外表面，葉片通過磁鐵附近的磁場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁擾動(dòng)[5]，固定在非鐵磁性發(fā)動(dòng)機(jī)殼體外表面的無(wú)源感應(yīng)線圈內(nèi)的磁場(chǎng)則發(fā)生變化，無(wú)源感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過這個(gè)感應(yīng)電流的參數(shù)，來(lái)間接判斷葉片的狀態(tài)。但對(duì)于鐵磁性殼體的發(fā)動(dòng)機(jī)，由于鐵磁性殼體的磁屏蔽作用[6]，上述方法無(wú)效，至今，鐵磁性發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的葉片監(jiān)測(cè)問題一直沒有得到有效解決。

2 葉片動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：振動(dòng)信號(hào)傳感部分、渦流信號(hào)傳感部分、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和信號(hào)分析系統(tǒng)等。振動(dòng)信號(hào)傳感部分主要包括加速度傳感器和信號(hào)調(diào)理器(包括電荷放大器)，用來(lái)測(cè)量測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)，以及調(diào)理轉(zhuǎn)換電荷信號(hào)為電壓信號(hào)。渦流信號(hào)傳感部分主要包括永久磁鐵和渦流探頭，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體內(nèi)表面附近形成渦流場(chǎng)，并通過葉片感應(yīng)生成相應(yīng)的渦流檢測(cè)信號(hào)。以上兩類信號(hào)傳送至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)放大處理得到信號(hào)，并將處理后的信號(hào)送至信號(hào)分析系統(tǒng)。信號(hào)分析系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算機(jī)通訊，并將測(cè)量的信號(hào)與數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，判斷葉片是否正常。

2.1 振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)傳感部分

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)完整的飛行循環(huán)主要包括6種典型工況：最大、最大連續(xù)、90%最大連續(xù)、70%最大連續(xù)、飛行慢車和地面慢車等。無(wú)論何種工況，葉片在工作時(shí)一般受到以下3類載荷：自身運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的離心載荷，穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)氣流作用下的氣動(dòng)載荷，機(jī)械結(jié)構(gòu)的自激及外部吸入物的激勵(lì)等。如果外部作用力和機(jī)械振動(dòng)之間是相互削弱的，則葉片穩(wěn)定，否則會(huì)發(fā)生振動(dòng)，由此引起的振動(dòng)應(yīng)力可能導(dǎo)致葉片疲勞。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，不同類型的傳感器分布在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)身及其周圍部件上。采集傳感器得到發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的數(shù)據(jù)以便分析處理。振動(dòng)傳感器配置有12個(gè)，葉片端和自由端各6個(gè)。在每端按120°在末端繞組分布一對(duì)徑向和切向安裝的傳感器。壓電式傳感器電纜布置于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的受保護(hù)位置，以避免發(fā)生損壞。

2.2 葉片電磁檢測(cè)傳感部分

采用電磁檢測(cè)的渦流檢測(cè)方法，可以有效地監(jiān)測(cè)鐵磁性發(fā)動(dòng)機(jī)殼體內(nèi)葉片個(gè)數(shù)、轉(zhuǎn)速、損傷狀態(tài)等參數(shù)。葉片電磁檢測(cè)原理示意如圖1所示，將U型永久磁鐵或電磁鐵的兩個(gè)磁極緊貼固定在鐵磁性發(fā)動(dòng)機(jī)殼體外表面，再將渦流檢測(cè)探頭固定在U型磁鐵的兩個(gè)磁極之間的鐵磁性發(fā)動(dòng)機(jī)殼體外表面，渦流檢測(cè)探頭的探測(cè)面與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體外表面緊貼，渦流檢測(cè)探頭與渦流信號(hào)處理單元連接。

圖1 葉片電磁檢測(cè)原理示意

渦流信號(hào)處理單元激勵(lì)渦流檢測(cè)探頭，由于U型磁鐵的兩個(gè)磁極之間的鐵磁性發(fā)動(dòng)機(jī)殼體被U型磁鐵磁化，處于U型磁鐵的兩個(gè)磁極之間的渦流檢測(cè)探頭所激發(fā)的渦流場(chǎng)穿透鐵磁性發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，在鐵磁性發(fā)動(dòng)機(jī)殼體內(nèi)表面附近形成渦流場(chǎng)。

啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，每個(gè)葉片的葉尖部位將劃過鐵磁性發(fā)動(dòng)機(jī)殼體內(nèi)表面附近形成渦流場(chǎng)，渦流檢測(cè)探頭感應(yīng)生成相應(yīng)的渦流檢測(cè)信號(hào)，并將其傳輸至渦流信號(hào)處理單元。

2.3 數(shù)據(jù)采集和信號(hào)分析系統(tǒng)組成

數(shù)據(jù)采集和信號(hào)分析系統(tǒng)包含A/D(模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算機(jī)通訊等模塊和計(jì)算機(jī)、包含動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試所需的信號(hào)調(diào)理器、直流電壓放大器、濾波器、A/D 轉(zhuǎn)換器、緩沖存儲(chǔ)器以及采樣控制和計(jì)算機(jī)通訊的全部硬件等，是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)、智能化的動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)。

系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)聯(lián)合控制，一方面可以利用DSP運(yùn)算速度快、支持復(fù)雜算法的優(yōu)勢(shì)；另一方面可以通過FPGA實(shí)現(xiàn)地址譯碼和邏輯控制，具有高集成性、高可靠性、高擴(kuò)展性等特點(diǎn)，總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示(其中SRAM為靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器)。系統(tǒng)中的DSP負(fù)責(zé)與報(bào)警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及其他控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊以及信號(hào)處理。通過網(wǎng)口可以連接普通的計(jì)算機(jī)通訊，負(fù)責(zé)處理或顯示系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)或設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。

圖2 數(shù)據(jù)采集和信號(hào)分析系統(tǒng)框架圖

采集系統(tǒng)由傳感器與FPGA共同組成。傳感器將電信號(hào)傳遞到以FPGA為核心的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中，進(jìn)行信號(hào)的預(yù)處理;其后再上傳給DSP處理器，進(jìn)行更高層次的處理。報(bào)警系統(tǒng)是獨(dú)立系統(tǒng)，根據(jù)輸入的信號(hào)不同，產(chǎn)生不同的動(dòng)作。其他控制系統(tǒng)通過RS 485串行總線與系統(tǒng)相連，接收或發(fā)出必要的控制信息。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)調(diào)試演示模式和在線運(yùn)行模式兩種工作模式：調(diào)試演示模式通過網(wǎng)口連接普通計(jì)算機(jī)，顯示原始數(shù)據(jù)信號(hào)以及經(jīng)過處理過的統(tǒng)計(jì)數(shù)值；而在線運(yùn)行模式只有系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，進(jìn)行數(shù)據(jù)保存、分析判斷，向報(bào)警系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)。如有需要可以通過串口、網(wǎng)絡(luò)模塊輸出數(shù)據(jù)，作進(jìn)一步的分析與后處理。

圖3 硬件電路框圖

2.4 信號(hào)分析與處理

(1) 振動(dòng)信號(hào)處理：在航空發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行中，如果經(jīng)過一段時(shí)間的穩(wěn)定振動(dòng)，振幅突然增加，然后保持在較高水平，可以結(jié)合以往設(shè)備運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析來(lái)推斷問題，安排修復(fù)設(shè)備，控制振動(dòng)信號(hào)下降到預(yù)期水平。

(2) 渦流信號(hào)處理：系統(tǒng)保存每個(gè)葉片葉尖擾動(dòng)渦流場(chǎng)產(chǎn)生的渦流檢測(cè)信號(hào)參數(shù)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在完好情況下，葉尖與葉尖之間的間距相同，每個(gè)葉片葉尖擾動(dòng)渦流場(chǎng)產(chǎn)生的渦流檢測(cè)信號(hào)的幅度也相同。

計(jì)算出每分鐘產(chǎn)生的渦流檢測(cè)信號(hào)個(gè)數(shù)，即為每分鐘劃過渦流場(chǎng)的葉片個(gè)數(shù)，從而計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)葉片當(dāng)前的轉(zhuǎn)速，同時(shí)，根據(jù)渦流檢測(cè)信號(hào)的幅度參數(shù)，間接測(cè)算出每個(gè)葉片與鐵磁性發(fā)動(dòng)機(jī)殼體內(nèi)表面之間的間隙。

系統(tǒng)定期激勵(lì)渦流檢測(cè)探頭，采集保存每個(gè)葉片葉尖擾動(dòng)渦流場(chǎng)產(chǎn)生的渦流檢測(cè)信號(hào)參數(shù)；當(dāng)采集到的渦流檢測(cè)信號(hào)中，出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)幅度參數(shù)與其他渦流檢測(cè)信號(hào)不同的渦流檢測(cè)信號(hào)時(shí)，則可間接判斷出發(fā)動(dòng)機(jī)葉片中有一個(gè)或多個(gè)葉片的葉尖表面存在缺損；當(dāng)采集到的渦流檢測(cè)信號(hào)出現(xiàn)間隔時(shí)間不均勻的渦流檢測(cè)信號(hào)時(shí)，則可間接判斷出發(fā)動(dòng)機(jī)葉片中有葉片已彎曲或斷裂。

發(fā)動(dòng)機(jī)葉片渦流檢測(cè)信號(hào)示意如圖4所示，渦流檢測(cè)信號(hào)A、D、E為正常信號(hào)，表明其所對(duì)應(yīng)的葉片正常，渦流檢測(cè)信號(hào)B表明其所對(duì)應(yīng)的葉片有異常跳動(dòng)或缺損，渦流檢測(cè)信號(hào)C表明其所對(duì)應(yīng)的葉片有異常跳動(dòng)。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)葉片渦流檢測(cè)信號(hào)示意

采用數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)將采集的渦流檢測(cè)信號(hào)參數(shù)，按照監(jiān)測(cè)時(shí)間制作監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的健康狀態(tài)。

2.5 系統(tǒng)抗干擾處理

為了保證板卡能夠在惡劣的電磁環(huán)境下使用，并且不影響其他電子設(shè)備的正常工作，電磁兼容性(EMC)和防靜電(ESD)的設(shè)計(jì)在整個(gè)印刷電路板(PCB)的設(shè)計(jì)中顯得尤為重要。板卡在元器件選型時(shí)主要選取軍品級(jí)元器件，從根源上消除了不穩(wěn)定因素，保證了板卡的可靠性。

(1) 電源線和地線設(shè)計(jì)：根據(jù)電流大小盡量加寬電源線寬度，同時(shí)接地線也盡量加粗，減少線路阻抗和來(lái)自電源的干擾，并將接地電路做成閉環(huán)環(huán)路。

(2) 電路去耦：在直流電源回路中，負(fù)載的變化會(huì)引起電源噪聲，有效的高低頻去耦電路很重要。

(3) 數(shù)字地和模擬地分離：模擬地和數(shù)字地共用會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的公共阻抗耦合，造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。設(shè)計(jì)時(shí)將數(shù)字地和模擬地分開，各有各的電源和地線回路，能有效抑制干擾。

2.6 系統(tǒng)云擴(kuò)展

筆者在2011年首次提出無(wú)損云檢測(cè)(CNDT)概念，是基于云計(jì)算技術(shù)和檢測(cè)集成技術(shù)的全新理念。無(wú)損云檢測(cè)通過云計(jì)算技術(shù)和無(wú)損檢測(cè)集成技術(shù)的結(jié)合，利用互聯(lián)網(wǎng)將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行分析、存儲(chǔ)和處理。云端的功能包括信號(hào)比對(duì)、處理、存儲(chǔ)、評(píng)估、預(yù)測(cè)、信息反饋等一系列軟硬件共享資源，用戶能夠共享軟、硬件資源，享受云檢測(cè)帶來(lái)的便捷服務(wù)和高效率。

3 結(jié)語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片易發(fā)生損傷并導(dǎo)致重大安全事故，提出了結(jié)合振動(dòng)和渦流檢測(cè)方法的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，其原理是將兩個(gè)磁極固定于鐵磁性發(fā)動(dòng)機(jī)殼體外表面，將渦流檢測(cè)探頭固定在磁極之間，利用渦流檢測(cè)方法監(jiān)測(cè)鐵磁性發(fā)動(dòng)機(jī)葉片個(gè)數(shù)、轉(zhuǎn)速、損傷狀態(tài)等信息。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片運(yùn)行狀態(tài)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能進(jìn)行長(zhǎng)期運(yùn)行有效性趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，以及使用年限的預(yù)警。同時(shí)，系統(tǒng)裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、小巧、安裝方便等特點(diǎn)，不僅可運(yùn)用在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的保護(hù)領(lǐng)域，還可以結(jié)合云檢測(cè)技術(shù)運(yùn)用到其他高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件的保養(yǎng)與維護(hù)領(lǐng)域。